智能转换（共6篇）
智能转换 篇1
交通灯广泛应用于十字路口车辆通行控制系统。随着社会发展, 汽车普遍成为了代步工具, 道路车辆大量增多, 导致交通拥堵情况时有发生。常见的交通灯红、绿信号灯控制装置中, 红、绿灯的转换时间是固定的, 在各方向车流量不均等条件下, 固定时间式信号灯转换不符合实际交通状况要求, 造成十字路口车辆通行效率不高。本文提出以MCS-51单片机为交通灯控制系统, 利用车辆信息采集装置对个路口方向车流量信息进行采集, 通过ADC0809转换器将信号采集信息进行转换并反映到控制系统, 控制系统通过分析采集数据对十字路口交通灯红﹑绿信号灯转换时间进分配, 提高十字路口车辆通行效率。
交通灯硬件设计
信号采集系统设计
车流量信息采集装置应用光学传感器对东西及南北方向的车辆信息进行采集, 计算各方向车辆数目信息。车流量信息采集装置结构图如图1所示。
基于光学原理, 将各方向车流量拍照信息投递到密闭空间的光电池上产生光感画面。光电池由于拍摄画面的光强信息产生电势变化。当某一路口方向车辆较少时, 拍摄画面场景比较简易, 产生的电势越强;当车辆较多时, 拍摄画面相对复杂, 对应产生的电势较弱。车辆信息采集装置对东西方向车流量采样记为m, 南北方向车流量采样记为n, 采样数据m与n同电势信息对应成反比。
同一路况场景在不同天气条件下拍摄复杂程度也有很大差异, 本文中采集电势信息只参照两方向中数据间m与n的比值, 天气环境对数据的分析情况不产生较大影响。
传输信号转换系统设计
车流量信息采集装置输出的是模拟信号, 对于单片机控制系统接受的是数字信号, 通过设计采集信号转换, 实现采集信号传输。本文中采用ADC0809转换器完成数据转换功能。
ADC0809是通过顺序比对的方法实现A/D转换, 该芯片内包含锁存器, 8个转换引脚对一个模拟量进行转换, 完成1次转换的时间为100us, 输出端具有TTL三态锁存器控制的锁存功能, 能够直接与单片机数据总线连接, 实现对模拟数据的转换。
在模拟信号转换过程中, 为了保证单片机采集信号频率与转换器频率的一致, 防止转换数据丢失, 采用了软件延时功能。选用8031芯片, 芯片工作频率为6MHz。通过分析主频频率得到机器周期, 即得到每条指令的周期数。数据信息采集转换连接电路, 如图2所示。
交通信号灯控制方案
车流量信息采集装置在对每次红、绿信号灯转换前2.5秒进行采样, 对下一次红、绿灯转换时间进行控制。根据采样比值信息, 把各路口车流量状态分为3类:m方向大于n方向、m方向小于n方向和m与n方向均等。同时对于不均等状态又划分了6个不均等程度环节, 分别为比值1.1、1.2、1.3、1.4、1.5及大于1.5等级, 进行路口红、绿灯转换时间分配。控制流程如图3所示。
实验结果分析
如表1所示, 在不同方向路口安排停放车辆装置, 通过拍照实现对路口车况数据信息采集。对路口车辆通行数量比例进行增减变化, 红、绿灯转换时间均能完成以上不同路口车流量比例配合, 验证了该系统对十字路口各方向通行时间的合理配置, 为提高十字路口车辆通行效率提供了有效方案。
结语
为了提高十字路口车辆通行效率, 设计了一种通过车流量信息采集装置对各路口车流量状况进行采集, 对采样数据进行比对分析, 得到各路口车辆数目信息, 通过单片机控制系统, 对各路口红﹑绿交通信号灯交替时间进行合理分配, 提高路口车辆通行效率。试验结果表明, 该系统能够实现对不同路口车辆信息的准确采集及交通信号交替时间合理分配, 为改善交通状况提供了一种有效方案。
智能转换 篇2
1 硬件系统设计
被测信号首先经过衰减及可编程放大以实现测量量程的自动切换, 然后进行真有效值转换, 转换得到的真有效值直流电压进行A/D转换变成数字信号后送入单片机系统进行数字处理及显示。
1.1 衰减电路设计
真有效值智能毫伏表主要功能是测量不同的电压, 而且要求测量的电压值范围很宽, 从1mV～300V的直流、正弦交流电压, 最大与最小之比达到1000000个数量级。即使采用6×1/2位A/D芯片也不能满足这样大的动态范围, 而且输入电压过高也会烧毁电路元件及系统, 因此, 要首先对被测电压进行衰减。本设计的衰减电路采用的是电阻串联分压式的衰减, 运用了四个不同阻值的电阻对被测信号实现了1000倍的衰减。
1.2 放大电路的设计
由于本系统测量的电压范围是很宽的, 可从1mV～300V, 而且为了保证电路元器件的正常工作对输入信号进行了1000倍的衰减, 因此, 为了使系统能对毫伏级输入信号的精确检测, 需要对信号进行放大。而在本系统中利用可编程放大器 (PGA) 和单片机控制, 很容易地实现了自动量程切换与系统的自动测量。
可编程放大器采用了国产的数字可编程增益放大器SFM004。它是采用薄膜工艺制作的混合集成电路, 它由运算放大器、高精度电阻网络和数字可编程开关网络组成。具有低输入偏置电压、高输入阻抗、高精度增益、功耗低等特点, 可与国外NSC公司的LH0086互换使用。
根据设计要求, 采用了两片SFM004级联以实现对衰减信号实现1倍、10倍、倍、1000倍以及10000倍的放大。每级放大器有三根增益控制线, 单片机的P1.0～1.2和P 1.3～P 1.5分别连接前后级放大器的D2D1D0来实现对增益的切换, 由于每级放大器只需要对输入信号进行1、10、100倍的放大, 故D2D1D0=000 D、D2D1D0=011 D、D2D1D0=110 D即可满足设计要求。
1.3 AC/D C转化电路及接口设计电路
交流电压的真有效值是通过电路对输入交流电压进行“平方→求平均值→开平方”的运算而得到的。即要求转换器输出的直流电压V0正比于交流信号Vi (t) 有效值。
式中:K为转换系数;T为信号周期。
真有效值仪表的最大优点是能够精确测量各种电压波形的有效值, 而不必考虑被测波形的参数以及失真。在近年来出现了各种真有效值AC/DC转换器中, 我选取了美国AD公司的AD736来作本设计的AC/DC转换。
AD736是经过激光修正的单片精密真有效值AC/DC转换器。其主要特点是准确度高、灵敏性好 (满量程为200mVRMS) 、测量速率快、频率特性好 (工作频率范围可达0～460kHz) 、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽且功耗低 (最大的电源工作电流为200μA) 。用它来测量正弦波电压的综合误差不超过±0.3%。
1.4 A/D转换及接口电路
本系统要求A/D转换有较高的精度, 而对转换速度要求并不太高, 为此, 我们采用了三位半双积分型A/D芯片MC14433, 它相当于二进制十一位, 其读数的准确度为0.05% (+1个字) , 其转换速为3～10次/秒, 完全满足本仪器的技术要求。该芯片与10位A/D转换芯片相比较, 具有价格低, 抗共模干扰能力强, 能自动调零, 外接元件少和接口简单等优点。特别方便的是采用动态BCD码输出, 所以单片机在数据处理时占用的内存和软件开销就少得多。
MC14433的量程可设置为199.9mv或者1.999V (取决于基准电压的值) , 本次设计MC14433的量程为1.999V, 那么基准电压VR=2V。为了获取一个稳定的2V直流基准电压, 设计时采用了MC1403来提供5V到2V的电压的稳定转换。
由于MC14433的输出是动态的, 所以单片机必须通过并行接口和MC14433连接。本设计中由于不需外接存储器, 所以就用P0口来实现同MC14433的连接,
将MC14433的四位BCD码动态输出Q0～Q3 (即以8421码方式输出十进制数的0～9) 和四路多路调制脉冲输出DS1～DS4分别接单片机的P0.0～P0.3和P0.4～P0.7;MC14433的转换结束标志一方面接更新转换控制输入脚DU, 另一方面接单片机的外中断输入脚INT1。单片机以中断方式读取MC14433转换结果。
考虑到输入电压可能超过MC14433的承受量程, 希望能给使用者给予及时的提醒, 就通过OR引脚设计了一个报警提示电路。在MC14433工作在量程范围内时, OR呈高电平, 三极管截止, 发光二极管熄灭;在MC14433过量程时, OR呈低电平, 三极管导通, 发光二极管鲜亮, 起到提示使用者的作用。
1.5 显示接电口路
显示电路采用动态扫描方式, 该扫描方式既克服了闪烁现象, 大大节省了硬件, 降低了成本, 是单片机显示电路中经常采用的扫描电路。单片机P3.4～3.7控制显示器的阴极电位, 称为扫描口, 它可以确定究竟哪一位点亮, P2.0～2.7输出各位显示器的显示字形, 称为段数据出口。我们采用一位一位轮流点亮各位的方法, 实现显示器的动态扫描。由于单片机I/O口驱动功率不够, 所以在单片机I/O口和LED显示器之间加上一片驱动集成电路7407作为信号驱动器。
2 系统软件设计
2.1 主程序设计思想
系统上电复位后, 首先执行主程序, 当主程序完成系统的初始化后, 便开始执行各功能模块, 首先进行数据采集, 读取A/D转换结果, 并判断其是否过量程或者欠量程。若A/D转换器的输出<200D, 说明被测量较小, 此时测量程序判别出, 并自动转入小量程档, 增益提高一档, 类似地, 若A/D转换器的输出>200×8=1600D时, 应自动转入到大量程档, PGA增益下降一档, 若已是最低档则进入超量程处理程序。将PGA调整到合适的增益后, 再调用数据处理子程序对数据进行处理, 最后调用显示子程序对测量结果进行动态显示。整个工作过程由单片机控制, 实现了数据测量的自动化 (图2) 。
2.2 中断服务程序
中断服务程序是用来读取MC14433的转换结果并将其存储到单片机内部的20H～23H。其软件设计是围绕A/D转换器结束信号EOC脉冲和选通信号时序来设计的, MC14433的Q0～Q3为A/D转换器的BCD码输出总线, 在DS1～DS4期间对应选通Q0～Q3输出千、百、十、个位BCD码。当程序进入中断服务程序后, 程序依次判别选通信号DS1～DS4, 在DS1有效时, 输出千位值;在DS2有效时, 输出百位值;在DS3有效时, 输出十位值;在DS4有效时, 输出个位值。结果装入单片机的数据存储器中, 待中断返回后即完成一次A/D转换采样过程 (图3) 。
参考文献
[1]张友德, 赵志英, 涂时亮.单片微型机原理、应用与实验[M].上海:复旦大学出版社, 2010.
智能转换 篇3
智能双电源自动转换装置 (ATSE) 是由一个 (或几个) 转换开关电器和其他必需的电器 (转换控制器) 组成, 用于监测电源电路, 并将一个或几个负载电路从一个通信电源转换至另一个通信电源的开关电器。ATSE主要由两部分组成:主体开关和智能控制器。本系统选用自带A/D转换的单片机STC12C5A60S2作为智能控制器, 通过弹簧操作机构的断路器ZW32-12来实现两路电源的转换。本工程设计主要应用在负荷为1600k W左右的医院。
1 ATSE的设计方案
ATSE的设计总体分为两部分:本体开关和单片机控制系统。本设计的本体开关选用带有弹簧操作机构的断路器ZW32-12来实现两路电源的通断, 选用自带A/D转换的单片机STC12C5A60S2作为智能控制器, 结合最小系统电路、电压采样电路、断路器控制电路、报警电路、显示电路、按键检测电路来实现对两路电源的监测。电压采样电路中, 首先将电压信号经过电压互感器降压, 然后通过电压调理电路将电压信号控制在0.5~4.5V以内 (STC12C5A60S2为5V单片机) 。电压信号进入单片机之后, 与设定的电压阈值进行比较, 延时后发出转换和报警指令。手动部分是通过检测外部按键来实现的, 而自动部分无需检测外部按键, 完全由单片机智能控制两路电源的转换。报警电路由三极管驱动电路组成, 单片机报警输出信号和手动解除信号通过同或门后送给三极管基极, 从而控制三极管的通断以达到驱动蜂鸣器的目的。
2 工程设计硬件电路
系统的硬件电路图如图1所示。电压信号采集电路主要是对电网输入的三相交流电压进行实时检测, 电压信号经电压互感器后再经调理电路送入单片机。在电压信号检测电路中输入的电压信号是模拟量, 本设计选取的STC12C5A60S2具有10个A/D转换端口, 所以可以满足常用电源和备用电源的6路模拟信号输入的要求。设计时选取的电压互感器输出电压为-1V~+1V, 而单片机内部A/D端口的输入电压为0~5V, 因此需要电压调理电路来得到最终的输入电压U1A。系统故障时通过STC12C5A60S2芯片P1.6、P1.7口来启动报警, 手动解除报警。为了满足电源系统出现欠压、过压等故障时系统报警, 手动解除报警后, 当电源恢复正常时再次报警, 并需要再次手动解除的设计要求, 选择了同或门来组成驱动电路。
在断路器控制回路中, S46是万能转换开关, 选择就地控制还是远方控制。图中GN和RD分别为断路器分、合闸位置指示灯, 并起监视断路器分、合闸回路完好性的作用。SQ1和SQ2是弹簧储能电动机的位置开关, 在合闸弹簧储能完毕时, SQ1闭合, 保证断路器只有在弹簧储能完毕后才能合闸, 同时SQ2断开, 使储能电动机M断电。
其中, 远处控制是通过单片机端口P0.1输出信号控制远方电源的接通与断开来实现的。当P0.1输出高电平时, 三极管Q1导通, 继电器KM1线圈得电, 常开触点闭合, 常闭触点断开, 此时远方合闸回路接通电源;当P0.1输出低电平时, 三极管Q1截止, 继电器KM1线圈失电, 常开触点断开, 常闭触点闭合, 此时远方分闸回路接通电源。
电机控制回路是由限位开关SQ2、接触器Y3的常闭接点和接触器Y2组成。当电源开关S45通电时, 限位开关SQ2接点处于接通位置, 起动接触器Y2, 使电机回路的Y2常开触点闭合, 接通电机回路, 电机开始储能, 储能完毕后, 限位开关SQ2断开, 断开控制回路, Y2失电, 电机回路的Y2常开接点断开, 电机停转。
电机保护回路保证了电机在系统出现故障时及时断开通电回路, 防止电机被烧坏。当储能系统出现故障, 电机超时运转时, 此时时间继电器KT起动, 串在保护回路的KT常开触点接通, 起动接触器Y3, 断开控制回路的Y3的常闭触点, 使Y2失电, 从而断开电机回路, 对电机起到保护功能。当电机过热时, 热继电器FR的常开接点接通, 也起动Y3, 使控制回路的Y3的常闭接点断开, 使Y2失电, 从而断开电机回路, 对电机起到保护作用。
3 软件设计
本工程软件设计主要由主程序模块、按键检测模块、自动程序模块、手动程序模块、A/D转换模块、显示模块组成。主程序模块主要是对系统进行上电复位, 待系统稳定后对系统进行初始化, 包括CPU初始化、I/O初始化、显示初始化等。
初始化完成后对两路电源进行检测, 检测结果通过LCD显示, 并选择正常的电源给负载供电, 其中优先选择常用电源。若两路电源均有故障, 则系统处于双分模式, 并发出报警信号。恢复正常后, 再对外部按键进行检测, 确定系统手动或自动的运行方式, 并进入相应的子程序, 然后按照所设定的流程运行。
4 结论
本工程设计是智能双电源自动转换装置的设计, 基本实现了以下功能: (1) 可以同时检测两路电源的供电电压, 出现故障时报警且需手动解除。 (2) 可以设定五种不同的工作模式:自投自复工作方式、常用电源工作方式、备用电源工作方式、自投不自复工作方式、双分方式。 (3) 可以显示系统的运行状态及供电电源的故障状态。
工程的设计仍然存在一些不足。虽然本系统转换延时很短, 但从理论上讲还是属于间断供电, 在一些重要的负荷中, 应配置UPS。此外, 若再增加一个频谱分析环节, 就可以完善的排除干扰信号, 提高装置的可靠性。
参考文献
[1]李强.智能自动转换开关的研究[D].河北工业大学, 2006.
[2]刘介才.工厂供电[M].北京:机械工业出版社, 2009.
[3]高峰.单片微型计算机原理与接口技术[M].北京:科学出版社, 2009.
[4]JGJ16-2008, 民用建筑电气设计规范[S].
智能转换 篇4
油动机LVDT位移传感器是汽轮机数字电液控制系统重要的反馈对象,也是该系统现场调试的一项重要内容。油动机位移传感器及其转换器性能的优劣和调试的质量直接影响控制系统的性能指标,因此我们对油动机位移传感器及其转换器的工作品质一直非常关注。模拟位移传感器转换器有如下不足之处:
一是模拟位移转换器稳定性及准确性不高。传统模拟位移转换器都是通过机械的可调电位器来标定零度(油动机为关闭状态)和标定满度(油动机为全开状态)。机械的可调电位器最大的缺点就是容易漂移,所以这种位移传感器转换器过一段时间准确度就会下降,距离油动机的真实位移有一定的误差。同时机械的可调电位器的机械位置是否工作在该设备的最佳线性区内,实现位移传感器的最大精度同调试人员技术水平密切相关。
二是模拟传统位移转换器调试繁琐。由于模拟传统位移转换器要尽量把机械的可调电位器调到该设备的最佳线性区内,而且调零调满电位器相互影响,所以调一个油动机很麻烦,一般要反复调试多次。
为此我们开发出一种新型的数字化软件可调的位移传感器智能转换器,该设备可以提高系统可靠性稳定性,并使调试简单化,减轻现场调试人员工作量。
2 数字化的位移传感器智能转换器工作形式
智能位移变换器配备相应系统软件及MODBUS接口。通过人性化的人机界面可以直接调试以及监视该智能位移变换器,具有高效智能便捷的优势。
该智能位移变换器有适用于3线制和6线制两种线性差动变压器型位移传感器型号,面板上具备有电源指示灯和工作状态指示灯,可分别用来监视电源及显示系统状态。智能位移变换器外形小巧,可以方便灵活地安装到机柜内。智能位移变换器外形尺寸及实物照片如图1所示。
3 数字化的位移传感器智能转换器设计及工作原理
智能位移变换器选用AD698型线性差分变压器(LVDT)专用信号调理电路,该芯片驱动LVDT初级线圈有效电压为24V。AD698首先驱动LVDT杆,把LVDT杆的输入振荡电信号按比例地转换成电信号,电信号通过模数转换器转换成数字信号。
该数字信号再通过数字隔离器消除噪声隔离高电压后进入单片机。单片机根据设定在EPROM中的零度满度设定值产生对应的数字信号,然后再通过数模转换器转换成4～20mA的电流信号输出,以供其他系统使用。
单片机通过光电隔离电路直接同计算机通信。单片机连接到计算机上是为了在计算机上监视位移传感器的变化数值,并可以通过计算机上的软件对单片机进行设置以达到LVDT杆的零度满度设定目的,使之对应输出4～20mA的电流信号。通过光电隔离电路,对输入和输出电路可以进行隔离,消除接地回路的干扰。工作原理如图2所示。
4 智能位移变换器人机界面
智能位移变换器有配套的应用软件,图3是智能位移变换器的人机接口画面。画面右侧为操作界面的控制面板,左侧部分是计算机同位移传感器智能转化器通信连接的操作界面。
设置正确后计算机会同位移传感器智能转化器建立通信,操作画面的信息监视一览里会显示出当前位移传感器智能转化器内部寄存器的数据,如果通讯异常则有提示显示连接错误。
当LVDT杆进行标零或标满时有手动标零/满和自动标零满两种方式。自动标零满的功能是位移传感器智能转化器自动把LVDT杆零/满时对应的AD码设置为零/满度码。手动标零/满需要人为地上传LVDT杆零/满时的AD码后手动地在操作画面中输入对应的AD码,然后按下手动标零/满按钮,此时位移传感器智能转化器会以当前手动设定的AD码为零/满点。
位移传感器智能转化器调试完成后可以通过单击“数据保存”按钮把调试过的数据保存到硬盘指定目录下。这样做的好处是如果需要更换位移传感器智能转化器时,用户可以直接通过“打开文件”按钮找到预先保存调试好的数据直接下装到新的位移传感器智能转化器中,而无需重新调试。
5 结语
(1)该智能转换器能够可靠准确地把LVDT杆的位移量转换为与之相对应的电学量。
(2)拥有MODBUS接口,可以实现和其它设备通讯,成为真正意义上的智能化就地设备。
(3)能够通过相应的硬件接口使用软件在计算机上对LVDT进行零度和满度的标定,无需手动调节,并且可以进行监视,调试方便简单。
(4)可以配备给三线和六线两种类型的位移传感器。
(5)24VDC供电,大小适中,容易安装在不同的控制柜中。
(6)结构简单,可移植性好,同计算机通信方便,对于某些小规模试验室检测应用具有较高的应用价值。
(7)该智能转换器已获国家实用新型专利证书。
摘要：同传统的模拟位移传感器转换器相比,数字化的位移传感器智能转换器具备更佳的稳定性以及更优秀的可操作性,同时拥有与计算机通讯的功能。文中开发了一种新型的数字化软件可调的位移传感器智能转换器。
智能转换 篇5
IEC 61850系列标准的颁布与推广应用为智能变电站的发展奠定了基础。智能变电站的信息数字化、信息传递网络化、通信模型标准化为各种设备和功能共享统一的信息平台创造了条件,并使得智能变电站在系统可靠性、经济性、维护简便性方面均比常规变电站有大幅度提升,必然会成为未来变电站发展的趋势[1,2,3]。
2009年5月,国家电网公司提出了建设“坚强智能电网”的发展目标,并计划分3个阶段至2020年全面建成统一的“坚强智能电网”。智能变电站作为坚强智能电网的重要基础和节点支撑,是必不可少的建设环节,必将在今后的基建、改造过程中广泛推广应用[4,5,6]。
常规变电站的智能化改造工作总体上分为过程层改造、间隔层改造及站控层改造3个阶段[6]。过程层改造将智能变电站的信息共享优势充分体现出来,为间隔层改造奠定了基础,是常规变电站智能化改造工作的重点之一。过程层改造需要确保变电站的供电可靠性不受影响,在接入智能化设备的过程中需要确保未改造设备正常运行。改造过程中,母线保护需要在同时接入智能化设备与常规设备的情况下确保正常运行,改造工作量大,改造难度高,改造周期长,因此母线保护智能化改造是过程层改造的难点之一[7,8,9]。
鉴于母线保护智能化改造工作的重要性及复杂性,有必要研究一种安全可靠、通用高效的母线保护智能化改造方案,以实现降低母线保护的智能化改造风险,减少母线保护的智能化改造工作量,缩短改造时间的目的。文献[10]总结归纳了国内目前普遍采用的常规站母线保护智能化改造方案,并提出了一种改进方案,减少了改造工作量,但该方案同样存在通用性不高的缺点,且对改造过程中的运行方式有严格的要求[10,11,12]。
本文在上述基础上,提出了一种更加优化的常规站母线保护智能化改造方案。为了解决智能化改造过程中常规间隔设备与智能化间隔设备同时接入智能化母线保护的问题,开发了可实现常规采样向数字化采样转换,常规开关量与数字化开关量双向转换的多间隔通用接口转换装置。通用接口转换装置按照IEC 61850标准接口规范设计,并可以重复利用于多个智能化改造工程。
1 智能化改造工作内容及现有改造方案
1.1 智能化改造工作内容
母线保护的过程层智能化改造主要包含以下3类工作。
1)常规电流(电压)互感器智能化改造。目前主要改造方式有:常规互感器就地加装常规采样合并单元;常规互感器更换为电子式互感器或光学互感器并就地加装电子式合并单元。合并单元负责将电流(电压)模拟量转换为符合IEC 61850-9-2规范的采样值(sample value,SV)数据,合并单元以光纤点对点或组网方式接入智能化母线保护。
2)开关、刀闸等设备智能化改造。目前主要改造方式是就地加装智能终端。智能终端将各支路刀闸位置、母联(分段)开关位置等信息转换为通用面向对象变电站事件(generic object oriented substation event,GOOSE)信息发送给智能化母线保护,并接收母线保护的GOOSE跳闸信息跳对应开关设备。智能终端以光纤点对点或组网方式接入智能化母线保护。
3)线路保护、主变压器保护等间隔设备智能化改造。改造后设备以光纤组网方式与智能化母线保护进行信息交互,信息交互内容包含各间隔保护向母线保护发送的失灵启动GOOSE信息,母线保护发送给各间隔的闭重、远跳、失灵联跳等GOOSE信息。
在常规变电站的智能化改造过程中,一般不允许进行全站停电改造,所以变电站内的运行设备只能按间隔逐一停运并改造。改造过程中母线保护不宜长时间退出,尤其涉及一次设备改造情况下,母线保护长时间退出运行更是不能被接受的[13,14,15,16]。
1.2 现有智能化改造方案总结
现有智能化改造方案需要研发同时具备常规接口及智能化接口的过渡型保护装置,这种做法增加了装置配置的复杂性,增加了保护版本管理及定值管理的工作量。在智能化改造过程中,变电站配置描述(substation configuration description,SCD)文件需要进行多次修改,并将修改后生成的过程层配置文件下载至母差装置,每下载一次就需要对整站的过程层通信配置进行一次验证试验,重复性工作较多,工作量大,改造周期长。
2 改进的智能化改造方案
针对现有母线保护智能化改造方案存在的问题,本文所提出的改进方案通过研发多间隔通用接口转换装置,实现了改造前后智能化保护装置的软硬件配置标准化,配置映射技术实现了对接入智能化母线保护的所有间隔设备的过程层通信接口模拟,SCD文件无需多次修改,过程层配置文件无需多次下载,因此改造工作量小,改造周期短。
改造初期,将通用接口转换装置接入原有母差保护二次回路,并完成通用接口转换装置与智能化母差保护间的过程层通信配置,测试合格后智能化母差保护即可投入运行,大大缩短了母差保护退出运行的时间。随着智能变电站的广泛应用,智能终端和合并单元技术已日臻成熟,在智能终端、合并单元基础上开发多间隔通用接口转换装置无任何技术门槛,程序改动风险小,装置可靠性高。
2.1 多间隔通用接口转换装置原理
多间隔通用接口转换装置的硬件采用统一的数据接口及高效、可靠的数据总线。它由CPU插件、过程层通信插件、常规开入/开出插件、模拟量采集插件及电源插件组成。CPU插件负责人机界面显示、通信及装置管理等功能,过程层通信插件负责发送SV信息、GOOSE开关量信息交互等功能,常规开入/开出插件负责接收、发送常规开关量信息,模拟量采集插件负责采集常规电流、电压模拟量信息。
通用接口转换装置为每个间隔配置两个数字化接口,分别为SV接口及GOOSE接口,各数字化接口的链路信息均可灵活配置,单个通用接口转换装置最多可以模拟8个智能化间隔设备。通用接口转换装置具备以下3个特征。
1)通用接口转换装置提供多个间隔的采样接口和对应的数字光纤链路。常规间隔内相关设备(电流互感器(TA)、电压互感器等)通过电缆接入通用接口转换装置,通用接口转换装置将对应间隔设备的常规采样信息转换为SV信息,再通过过程层网络输出给智能化母线保护,方法示意图如图1所示。
2)通用接口转换装置提供多个间隔的开关量接口和对应的数字光纤链路。常规间隔内设备(开关、刀闸或间隔保护等)通过电缆连接通用接口转换装置,通用接口转换装置通过过程层网络完成常规开关量与数字化GOOSE开关量的双向转换,方法示意图如图2所示。
3)通用接口转换装置的数字化接口按照IEC61850数字化标准协议设计。
2.2 配置映射技术
智能化设备间进行SV/GOOSE信息传输,需要从SCD文件中提取各智能化设备的过程层SV/GOOSE配置信息,如发送地址(MAC)、目的地址(APPID)、信息路径(Reference)等,并将上述配置信息下载进对应的智能化设备中。所谓配置映射技术,即将上述SV/GOOSE配置信息下载进通用接口转换装置,保证通用接口转换装置与改造后的智能化间隔设备的过程层发送、接收信息一致,以达到真实模拟智能化间隔设备的目的。
通过采用配置映射技术,通用接口转换装置完成了接入智能化母线保护的所有间隔设备的过程层通信接口模拟。智能化母线保护只需提供数字化接口,无需提供常规接口,接口设计简单。智能化改造过程中,SCD文件无需多次修改,过程层配置文件无需多次下载。间隔智能化改造完成后,仅需将通用接口转换装置的对应光纤链路切换为智能化间隔设备的光纤链路,对于智能化母差保护装置来说,光纤链路切换前后它接收到的信息与需要发送的信息无任何变化,实现了常规间隔设备改造为智能化间隔设备过程中对智能化母线保护的无缝切换。
2.3 方案介绍
利用通用接口转换装置集成多间隔接口转换功能,解决智能化改造过程中智能化母线保护同时接入常规间隔设备及智能化间隔设备的问题,保证智能化改造前后同一间隔设备与跨间隔设备间交互的数字化信息完全一致。以常规互感器+合并单元+GOOSE的改造模式为例,具体实施方法如下。
步骤1:改造前,应保证待改造母线保护屏内已完成二次回路安措处理,如电压互感器二次回路开路,各支路TA二次回路短路,并断开与其他保护设备联系的开关量二次回路。
步骤2:完成步骤1后,将常规母线保护装置退出运行并将装置从原屏位拆除,将通用接口转换装置安装入原屏位。通用接口转换装置与常规母线保护的模拟量、开关量接口保持一致,因此只需要对屏内电缆进行较小的改动便可将通用接口转换装置接入原有二次回路。
步骤3:将通用接口转换装置与智能化母线保护接入过程层。根据SCD文件,提取改造后的各智能化间隔设备的接口配置信息,并映射到通用接口转换装置的对应数字化接口中。测试智能化母线保护并验证SCD文件,保证各支路SV通道信息正确,各支路开关、刀闸位置的GOOSE信息正确,装置无差流。进行母差保护功能测试,并保证通用接口转换装置的跳闸出口正确,测试合格后智能化母差保护投入运行,如图3所示。
步骤4:停用某线路或主变压器间隔进行智能化改造。拆除本间隔接入母差保护屏的电缆,并重新敷设电缆将待改造间隔的合并单元及智能终端接入二次回路。改造完成后断开通用接口转换装置中对应该间隔的光纤链路连接,将改造间隔的合并单元、智能终端及智能化保护接入过程层。通过采用配置映射技术,通用接口转换装置中对应本间隔的接口信息与合并单元、智能终端的接口信息保持一致,所以完成装置测试工作后,本间隔即可投入运行,如图4所示。
步骤5:重复步骤3,直至全部间隔改造完成。此时全部间隔都已接入智能化母线保护,退出通用接口转换装置,如图5所示。
通过采用本文介绍的智能化改造方案,可大大减少常规变电站智能化改造过程的工作量,改造过程中智能化母线保护仅需在各间隔设备接口转换过程中短暂退出运行,相较于其他改造方案,母线保护退出运行时间极短。本方案的优点有:①适应性好,可适应常规互感器+合并单元或电子式互感器等不同数字化采样方式,也可适应采用GOOSE技术的数字化开关量通信方式;②兼容性好,适用于所有按IEC 61850标准设计的二次设备;③经济性好,通用接口转换装置可以重复利用于多个智能化改造工程;④改造全程无需修改SCD,不增加重新验证SCD文件正确性的工作量,改造工作量小,改造周期短。
3 结语
过程层智能化改造是常规变电站智能化改造的基础和难点。本文在总结近几年常规变电站的智能化改造经验的基础上,提出一种更通用的母线保护智能化改造方案。
智能转换 篇6
关键词：IEC61850,智能变电站,生产管理系统,数据转换模型,在线监测
0 引言
随着我国智能电网的不断发展，各类智能设备、自动化系统越来越多，设备与系统、系统与系统之间的信息交换呈现快速增长。采用统一的标准进行信息交换已经成为电网系统建设的发展方向[1]。当前，变电站自动化系统和生产管理系统各自遵循着不同的标准体系。“十一五”期间国家电网公司提出并实施了“SG186”工程。在生产管理系统的国际、国家标准尚未建立的条件下，根据国家电网公司信息化建设“四统一”原则，结合实际生产业务特点进行系统研发，实现电网生产的规范化、标准化和精细化管理。基于IEC 61970国际标准建模方法，以电网设备为对象，国家电网公司制定了用于生产管理系统的统一设备代码规范、设备参数规范、数据编码规范等企业试行标准[2]，并于2011年5月正式成为国家电网公司企业标准。通过对设备台帐、设备状态量、历史运行数据、计划任务、检修记录、试验记录、两票记录等信息进行管理，使生产管理系统功能覆盖输、变、配三大领域，实现设备管理、设备在线状态监测、缺陷管理、故障管理以及生产计划管理等业务功能。
变电站是电网的重要环节之一，其设备的状态将直接影响电网的安全运行。一方面可以通过严格的设备入网管理，不让劣质设备渗入电网，防止将设备的质量问题带入到生产运行中；另一方面则需要通过不断加强设备运行、检修技术的研究和实践，提高设备的运行维护水平。其中，作为保障电网安全运行的关键技术之一，设备在线监测技术已成为电网设备维护和生产管理系统状态检修的研究热点方向。IEC 61850标准已被公认为是新一代变电站综合自动化系统的国际标准：基于面向对象技术建立变电站自动化系统较完备的语义信息模型和数据模型[3]；通过变电站配置语言（SCL）完成信息模型的形式化描述工作。
由于标准的适用范围和制订的体系不同，在生产管理系统和变电站自动化系统进行数据交换时，这种差异导致它们之间的信息不能充分地交流。因此，如何实现国家电网公司企业标准与IEC 61850标准的融合，实现生产管理系统与智能变电站的信息共享，成为当前亟需解决的问题。要实现两个标准的融合，关键在于模型的协调，即建立起两个模型之间的映射关系[4]。通过对信息模型的研究，针对XML在两种系统中语义表示上的差别，提出采用标签映射和ID索引相结合的方法构建其语义信息转换模型，实现由IEC 61850面向对象数据模型到生产管理系统中面向设备数据模型的转换。
1 智能变电站与生产管理系统
1.1 智能变电站
智能变电站系统采用先进、可靠、集成、低碳、环保的设备，以全站信息数字化、通信平台网络化、信息共享标准化为基本要求，完成信息采集、测量、控制、保护、计量和监测等基本功能，并可根据需要支持电网实时自动控制、智能调节、在线分析决策、协同互动等高级功能的变电站[5]。智能变电站在线监测系统对信息通信提出了明确的技术要求：可靠的现场工业控制总线、以太网络总线以及基于IEC 61850统一标准的通信规约[6]。变电站各层之间均采用IEC 61850通信协议的在线监测系统框架如图1所示。在站控层通过信息状态接入控制器（CAC）向EMS等上层平台传输各类信息。
子站与主站的无缝信息交换是实现子站设备在线监测和状态检修的基础。目前，基于IEC 61850的智能变电站自动化系统（子站）和基于IEC 61970的数字化电网调度自动化系统（主站）已有多项工程投入使用，子站和主站之间的信息交换方式是将IEC 61850转换为IEC 60870，并通过IEC 60870-5-101/104通信规约部分传输数据值和命令。这种方式有很多弊端：子站上大量有用信息无法传输到主站，无法充分发挥两大标准的优势；变电站和多个调度中心重复维护，增加了维护工作量和电网的安全隐患。针对以上问题，相关领域的研究人员提出了从本体的角度解决CIM与SCL的协作方法[7]和从智能变电站各层次分析IEC 61850和IEC 61970对变电站系统的建模框架的支持能力并扩充IEC 61970的方法[8]。因此，只有实现生产管理系统所遵循的国家电网企业标准与智能变电站所遵循的IEC 61850国际标准之间的无缝信息交换，才能够真正意义上的实现变电设备的在线监测以及状态检修。
IEC 61850标准面向对象的信息模型对变电站物理设备与变电站功能进行了解耦，在已知物理设备的ACSI服务器、逻辑设备、逻辑节点和数据对象路径的前提下，如图2所示，设备之间可实现无缝的信息交换，如：IEC 61850标准中设备铭牌（DPL）公用数据类采集设备厂商集成的铭牌信息；基于测量值信息（MV）公用数据类采集油温等传感器的实时数据等。
变电站变电设备的铭牌及监测数据的XML描述例子如表1所示，XML结构中包含有变电站、间隔、接入点描述、设备及其监测数据等内容。
1.2 生产管理系统
国家电网公司生产管理系统的状态监测业务是以电网设备为核心，辅以运行工作、评价以及计划任务三个组成部分，并依据企业标准、规范实现设备运行信息的采集、传输、评价和检修计划任务制定等功能，如图3所示。
其中，设备中心内的设备数据库结构在参考IEC61970标准CIM模型构成方法基础上，采用“公共层-固化层-自由层”的层次化设计。在遵照国家电网公司设备参数规范同时，实现设备信息局部个性化扩展能力；通过运行位置和物理设备的解耦，使设备兼具“电网节点”和“电网资产”的双重角色；系统中设备型号和参数标准全部数字化，实现设备参数录入的快速化和标准化。
在生产管理系统业务框架下，运行工作中心、评价中心以及计划任务中心分别与设备中心进行信息交换，运行工作中心采集设备的运检信息并作为评价中心的输入。评价中心是状态检修的重要组成部分，也是实现检修辅助决策的基础。设备状态经评价后的最终产物是状态评价报告。计划任务中心依据评价中心生成的评价结果安排设备检修计划，并将计划任务下发运行工作中心，各中心间基于XML技术进行信息交换，生产管理系统中变压设备的典型XML数据如表2所示。
XML数据主要包括变压器铭牌、投运时间、所属变电站及间隔、资产所属单位、相关保护设备以及基于各类传感器和监测装置所收集到的实时信息等。其中，对设备的实时运行数据进行处理时，通过具有唯一性的ID进行标识，并实时查询设备运行期间的各种状态监测数据，如：变压器油温、铁芯接地电流、油中溶解气体及微水含量等。
2 数据转换模型设计
针对生产管理系统中设备状态检修业务功能，通过对IEC61850标准以及生产管理系统进行分析探讨，面向智能变电站与生产管理系统设备在线监测的数据转换，提出一种结合标签映射和ID索引的数据转换方法，生产管理系统的数据模型组成如图4所示，生产管理系统中设备相关信息可被划分为5大类：由地理信息系统提供的基础空间及专题属性数据；由企业资产管理系统提供的资产所属数据；由能量管理系统提供的关联保护数据；由人工采集或自动化系统提供的设备铭牌信息和测量数据。
IEC 61850标准中测量数据对应生产管理系统的实时数据的处理业务。不同设备之间的实时监测数据种类和内容各有不同，无法基于XML标签进行统一的映射，因此提出在生产管理系统中使用单独且唯一的ID以及与之对应的监测数据对象进行标识和存储，并通过ID索引设备相关的所有实时数据及状态信息，避免对生产管理系统的数据存储结构进行过多的改变，有利于减少已在国家电网公司各网省公司上线和试行的生产管理系统的改造。
在智能变电站数据向生产管理系统转换过程中，基于IEC61850标准面向对象的信息模型包含如ACSI服务器、逻辑设备、逻辑节点对象的所属信息以及具体变电站数据的对象路径等信息，这些用于描述变电站数据的元数据在生产管理系统中并不需要。直接忽略这部分由智能变电站系统产生的数据对象路径信息虽然可以满足当前生产管理系统的需要，但由生产管理系统提供的数据将无法转换为可被基于IEC 61970标准的能量管理系统所直接使用的信息。因此，应充分利用现有IEC 61850和IEC61970标准转换的大量研究成果，实现调度、变电站自动化和生产管理等多系统间统一高效的信息转换需求，转换模型如图5所示。
通过在生产管理系统中存储对象路径元数据，实现生产管理系统中的数据可以再次被还原为IEC 61850标准的XML格式，将IEC61850标准格式的数据转换为IEC 61970标准，可以实现从生产管理系统到能量管理系统数据交换。
3 结束语
通过对智能变电站和生产管理系统的标准、规范进行探讨，提出了一种用于智能变电站和生产管理系统设备在线监测的数据转换模型。在线监测是实现电网设备状态检修和生命周期管理的前提，而有效的设备信息交换模型是在线监测的基础。当前，智能变电站中主要基于IEC 61850标准实现设备的配置、运行及状态信息交换，通过IEC 61850标准定义的接口，将智能变电站信息模型或数据模型转换为IEC 61970标准的对应内容以实现信息的无缝交换已成为相关领域研究热点。
智能电网对生产管理系统在线监测提出了更高的要求，在分析电网调度中心的能量管理系统与智能变电站信息共享的基础上，整理划分了生产管理系统的设备信息与电网各系统之间的交互关系，并与IEC 61850标准的数据模型进行了对比。随着国家电网公司企业标准从试行到正式颁布，新的生产管理系统已经在多个网省公司试行和上线，基于不同标准规范的各类电力系统间的数据交换技术研究将更加具有实际意义。
参考文献
[1][M]姜彩玉,叶锋,许文庆等.IEC 61850的变电站模型与IEC61970主站模型转换[J].电网技术,2006,10(30):209-213.
[2][R]国家电网公司生产管理系统设备代码(试行),国家电网公司生产管理系统设备参数规范(试行),国家电网公司生产管理系统数据编码规范(试行),国家电网公司,2008.
[3][M]张结.IEC61850目标内涵分析[J].电网技术,2004,28(23):76-80.柳光,何光宇,卢强.变电站模型变换的形式化框架[J].电网技术,2008,32(6):8-13.
[4][M]柳光,何光宇,卢强.变电站模型变换的形式化框架[J].电网技术,2008,32(6):8-13.
[5][R]智能变电站技术守则,国家电网公司,2011.
[6][R]变电设备在线监测系统技术导则,国家电网公司,2010.
[7][M]R.Santodomingo,J.A.Rodríguez-Mondéjar,M.A.Sanz-Bobi.Ontologymatching approach to the harmonization of CIM and IEC 61850 standards.Proceedings of 2010 First IEEE International Conference on Smart GridCommunication(s SmartGridComm),October 4-6,2010,Gaithersburg,MD:55-60.